ИОНИСТОРЫ

Изделия этого типа занимают особое место среди конденсаторов, поскольку их емкость реализуется без участия диэлектрика. В основе принципа действия ионисторов - формирование на границе двух фаз двойного электрического слоя (ДЭС) - тонкого (молекулярной толщины) слоя, сформированного двумя пространственно разделенными слоями электрических зарядов разного знака. По этой причине изделия данного типа охватывают диапазон емкостей до 100 Ф.

Существующие типы ионисторов часто называют конденсаторами с двойным электрическим слоем.

В качестве примера рассмотрим возникновение ДЭС на границе раздела металл - электролит. Выход из металла при определенных условиях некоторой части электронов приводит к его положительному заряжению и, как следствие, притяжению к поверхности металла подвижных отрицательно заряженных ионов из электролита. При высокой концентрации ионов в растворе электролита (~10²²см^-3 ) поле заряда металла экранируется в электролите на расстояниях порядка единиц ангстрем. Возникающее между разноименно заряженными слоями электрическое поле препятствует выходу электронов из металла и при наступлении динамического равновесия на границе металл - электролит возникает скачок потенциала, составляющий доли Вольта.

В зависимости от рабочего материала электролита существующие ионисторы можно классифицировать следующим образом:

- ионисторы на основе водных растворов кислот и щелочей (так называемые суперконденсаторы);

- ионисторы на основе апротонных электролитов;

- ионисторы на основе твердого электролита.

В ионисторах первого типа (например, на основе 38 %-го водного раствора H₂SO₄ ) емкость создается двумя ДЭС на границах раздела электролита с симметричными электродами с электронной проводимостью. Последние обладают высокоразвитой поверхностью, что дает соответствующий выигрыш в емкости.

Ионисторы этого типа представляют собой по существу два последовательно включенных конденсатора с ДЭС и различным ионным составом обкладок, расположенных в электролите, и являются неполярными.

К недостаткам ионисторов данного типа следует отнести ограничение рабочего напряжения значением 1 В (напряжение разложения воды ~1,2 В) и жесткие требования к кислотостойкости конструкционных и электродных материалов.

В ионисторах второго типа используются апротонные электролиты, которые позволяют добиться повышения рабочего напряжения до 2 - 2,5 В. Это обусловлено более высоким напряжением их разложения .

Однако, ионисторы этого типа обладают более высоким последовательным сопротивлением, что понижает их быстродействие при использовании в качестве энергонакопительных импульсных конденсаторов в режиме зарядки-разрядки.

В ионисторах третьего типа рабочим электролитом являются твердые электролиты – ионные суперпроводники – вещества, обладающие в твердом состоянии высокой ионной проводимостью, сравнимой с проводимостью жидких электролитов.

На рис.2.12 представлена схема ионистора на основе ионного суперпроводника RbAg₄J₅, обладающего ионной проводимостью ~0,25 Ом^-1см^-1 при Т=300 К, обусловленной переносом ионов Ag⁺. Принцип действия такого ионистора в упрощенном виде представляется следующим образом. При приложении к ионистору напряжения полярности, соответствующей отрицательному потенциалу на серебряном электроде, ионы Ag⁺ из твердого электролита разряжаются на катоде (Ag⁺ + e ®Ag) и оседают на нем. В результате ухода положительно заряженных ионов Ag⁺ обнажается отрицательно заряженный жесткий остов твердого электролита, состоящий из ионов J^-. На границе раздела твердого электролита с графитовым анодом, являющимся блокирующим электродом (электродная реакция на нем полностью заторможена) образуется ДЭС и, как следствие, формируется высокая емкость. Последняя увеличивается также за счет развития поверхности графитового электрода, изготавливаемого из порошка.

Разрядка ионистора сопровождается обратным процессом - растворением серебра в электролите (Ag®Ag⁺ + e) и, соответственно, уменьшением заряда на обкладках ДЭС.

Ионисторы данного типа обладают рядом полезных качеств: высокими величинами номинальной емкости и накапливаемого заряда, малыми токами утечки. У конденсаторов на основе пленочных неполярных диэлектриков (полистирол, политетрафторэтилен, полипропилен), благодаря малой величине угла потерь, существенно более широкий диапазон рабочих частот, так что они могут использоваться в цепях высокой частоты.

Рис.2.12. Схема полярного ионистора на основе ионного суперпроводника RbAg₄J₅ :

1 - поляризуемый угольный анод, 2 - неполяризуемый серебряный катод, 3 - твердый электролит

Сочетание этих свойств открывает возможность использования ионисторов как энергонакопительных конденсаторов - резервных источников питания. Однако, твердотельные ионисторы остаются низковольтными приборами, что обусловлено низким напряжением разложения твердого электролита (при напряжении ~0,67 В происходит выделение на угольном электроде свободного иода). С целью повышения рабочего напряжения создаются батареи последовательно соединенных ионисторов, что приводит, разумеется, к потере в суммарной емкости, по сравнению с единичным элементом.

Дальнейший прогресс в области твердотельных ионисторов связан с успехами в создании новых твердых электролитов, обладающих высоким потенциалом разложения и не содержащих дорогих и дефицитных металлов.

В заключение отметим, что развивающейся низковольтной радиоэлектронике необходимы как сверхвысокоемкие ионисторы (источники тока порядка 10¹ - 10³А), так и сравнительно низкоемкие ионисторы, способные заменить при низких напряжениях оксидные конденсаторы, где последние обнаруживают нестабильность параметров. Развитие этого направления конденсаторостроения требует создания новых материалов и технологий.

2.4. КОНДЕНСАТОРЫ ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТИ

Конденсаторы переменной емкости (КПЕ) подразделяются на конденсаторы с механическим управлением и электрическим управлением (вариконды, варикапы).

Конденсаторы с механическим управлением состоят из двух систем параллельных пластин, одна из которых (ротор) может плавно перемещаться к другой (статор). При этом пластины ротора входят в зазоры между пластинами статора, что изменяет эффективную площадь, а, следовательно, емкость конденсатора.

Наибольшее распространение получили КПЕ с плоскопараллельными пластинами, вращательным перемещением ротора и воздушным диэлектриком. Они отличаются большой точностью установки емкости, малыми потерями и высокой стабильностью.

КПЕ с твердым диэлектриком имеют меньшие размеры, но обладают меньшей точностью установки емкости и худшей стабильностью. Они применяются только в малогабаритных транзисторных приемниках.

Основное применение КПЕ находят в качестве элемента настройки колебательных контуров. Поэтому для них важен закон изменения емкости при настройке.

Широкое применение имеют блоки КПЕ, которые состоят из нескольких (двух-трех) конденсаторных секций, размещенных на одной оси.

Конденсаторы переменной емкости с электрическим управлением (вариконды) – особая группа керамических конденсаторов, диэлектриком которых служит сегнетокерамика, отличающаяся резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от приложенного напряжения, так что при изменении напряжения на несколько вольт, емкость может изменяться в 3-5 раз.

Вариконды – нелинейные элементы электрических цепей, на их основе могут быть созданы диэлектрические усилители, умножители частоты, генераторы сигнала. Они охватывают диапазон емкостей от 10 пФ до 1 мкФ и изменение емкости в 2-20 раз.

К КПЕ примыкают подстроечные конденсаторы.

К подстроечным конденсаторам предъявляются требования, аналогичные требованиям к КПЕ, но для них менее важны требования по точности и закону изменения емкости, а более существенны плавность установки емкости и надежность ее фиксации.

По конструктивным признакам подстроечные конденсаторы делятся на:

- конденсаторы с вращающимся ротором;

- с поступательным перемещением ротора;

- плоские

- дисковые.

По применяемому диэлектрику:

- воздушные;

- с твердым диэлектриком, как правило, керамическим.

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы влияют на емкость конденсатора?

2. Какие факторы влияют на напряжение пробоя конденсаторного диэлектрика?

3. Какие требования следует предъявлять к диэлектрическим материалам, применяемым в высокочастных конденсаторах? Какие из перечисленных материалов могут использоваться в высокочастных конденсаторах: кварцевое стекло, полтетрафторэтилен, поливиниленденфторид, слюда, титанат бария?

4. Исходя из основного назначения конденсатора – накапливать электрический заряд – проанализировать физический смысл зависимости емкости от конструктивных параметров – площади обкладок, толщины диэлектрика и диэлектрической проницаемости материала.

5. Привести параллельную и последовательную эквивалентные схемы замещения конденсатора и построить соответствующие им векторные диаграммы, показывающие сдвиг по фазе между электрическим напряжением и током при подаче на конденсатор, обладающий потерями, переменного напряжения.

6. Почему для создания керамических диэлектриков конденсаторов 1 и 2 типов недостаточно индивидуальных соединений?

7. Схематично изобразить температурную зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического материала и показать возможности ее температурной стабилизации.

8. Изобразить (качественно) температурную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь сегнетокерамического конденсатора.

9. Каковы пути достижения рекордно высоких значений удельных емкости и заряда оксидных конденсаторов?

10. Чем обусловлен выбор базовых металлов для изготовления оксидных конденсаторов?

11. Определить к каким изменениям свойств оксидных конденсаторов могут привести а) увеличение толщины оксидного диэлектрика; б)повышение удельного сопротивления оксидного диэлектрика; в) уменьшение удельного сопротивления катодного материала (проводящего вещества анода).

12. Указать пути улучшения эксплуатационных свойств оксидных конденсаторов.

13. Что понимают под полярными и неполярными диэлектриками? Какие из них используются на высоких частотах?

14. Какими преимуществами, по сравнению с бумагой, обладают пленочные материалы?

15. Каковы пути создания высоковольтных конденсаторов с органическим диэлектриком?

16. Чем объясняется сверхвысокая емкость ионисторов?

17. Какие процессы в электролите (твердом, жидком) приводят к образованию двойного электрического слоя?

18. Какова область применения ионисторов?

3. РЕЗИСТОРЫ

3.1.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИСТОРОВ

Резистор - элемент, основное функциональное назначение которого обеспечивать определенное соотношение между током и приложенным напряжением, что позволяет регулировать уровень разнообразных электрических сигналов, поступающих на различные участки в схемах.

Основными элементами конструкции любого резистора являются: резистивный материал (токонесущая часть), основание и контактные узлы, обеспечивающие надежный электрический контакт с резистивным элементом и возможность монтажа резистора в аппаратуру.

Учитывая закон Ома, из определения резистора следует, что важнейшей его характеристикой является сопротивление R

где U – приложенное к резистору напряжение, I- протекающий ток.

Отметим, что до 1962 года термин «резистор» в нашей стране не употреблялся и соответствующий элемент называли просто сопротивлением. Это приводило к неоднозначности понятия сопротивления, поскольку последнее имеет значение физической величины, причем может не только активным, но и реактивным, присущим емкостным и индуктивным элементам на переменном токе, а также нулевым и отрицательным.

Резистор обладает исключительно активным положительным по величине сопротивлением, которое проявляется при протекании любого тока (постоянного или переменного) при переходе части электрической энергии в тепловую. Это позволяет регулировать и распределять электрическую энергию между узлами, цепями и элементами электрических схем.

Основными электрическими параметрами постоянных резисторов являются:

1. номинальное сопротивление R – сопротивление, на которое рассчитан резистор и которое указывается на корпусе резистора.

Сопротивление резистора определяется удельным сопротивлением резистивного материала r и геометрией токонесущей части (конструкцией изделия) ,

где - протяженность пути прохождения тока от одного контактного узла к другому;

S – площадь поперечного сечения токонесущей части.

Сопротивление резисторов цилиндрической формы с пленочным резистивным элементом толщиной b < D определяется формулой

Отношение называют коэффициентом формы и обозначают через к. Как правило, значение к выбирается близкой к единице (0,6-1,5), что отвечает необходимым эксплуатационным характеристикам изделий.

Поскольку величина удельного сопротивления резистивных пленок зависит не только от используемого материала, но и от толщины слоя, на практике часто пользуются понятием сопротивления квадрата пленки R_КВ

R_КВ= (Ом)

При этом полное сопротивление резистора можно определить по формуле R = К× R_КВ

2. Допуск на величину сопротивления, приводимая в технической документации на изделие. Он часто указывается вместе с номинальным сопротивлением на поверхности резистора в его маркировке.

3. Номинальная мощность Р_ном – максимально допустимая мощность, которую резистор может рассеивать в виде тепла в заданных условиях при непрерывной работе в течение всего гарантированного срока службы сохраняя свои параметры в указанных пределах. Зависит от термостабильности резистивного материала, а также от условий отвода тепла, определяемых конструкцией резистора и узла аппаратуры, куда он монтируется и режима эксплуатации.

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС), характеризует обратимое изменение сопротивления вследствие изменения температуры окружающей среды или изменения электрической нагрузки, приводящие к изменению температуры резистора.

По определению

Среднее значение ТКС резистора в заданном интервале температур обычно определяют по формуле ,

где R - сопротивление резистора при определенной температуре;

ΔR – изменение сопротивления при изменении температуры на ΔТ;

ΔТ – интервал температур, в котором определяется ТКС.

5. Номинальное напряжение (предельное) – максимальное значение напряжения, приложенного к резистору, при котором он в течение срока службы сохраняет свои параметры в заданных пределах

Для создания резисторов, удовлетворяющих требованиям современного электронного приборостроения, необходимы резистивные материалы, обладающие удельным сопротивлением от 10^-3 до 10⁷Ом∙см. По этому параметру резистивные материалы относятся к классу полупроводников. Однако в отличие от последних они должны обладать малыми изменениями сопротивления при воздействии таких факторов, как температура, что необходимо для достижения малых значений ТКС, а также напряженность электрического поля и освещенность, так что использование материалов полупроводниковой электроники в качестве резистивных исключено.

Резистивные материалы должны обладать низким уровнем токовых шумов, долговременной стабильностью свойств в различных и широко меняющихся внешних условиях, в том числе при экстремальных условиях эксплуатации.

При этом, предлагая тот или иной резистивный материал на основе физических и физико-химических подходов, необходимо чтобы он был технологичен и отвечал требованиям производственного технологического процесса.

3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЗИСТОРОВ

Прежде всего резисторы разделяют на постоянные (нерегулируемые) и переменные (регулируемые), сопротивление которых меняется перемещением подвижного контакта. На рис.3.1 представлены принятые обозначения в электрических схемах. Переменные резисторы включаются в схему двумя способами: потенциометрическим и реостатным.

Рис.3.1. Условные графические обозначения резисторов: а - постоянный резистор, б - переменный резистор (потенциометр)

Постоянные резисторы, в зависимости от конструктивного исполнения токонесущей части, разделяются на проволочные и непроволочные.

Обязательными составными частями любого нерегулируемого резистора являются основание, на которое наносится слой резистивного материала (резист) или наматывается проволока, а также два электрических вывода, при помощи которых резистор подключается к схеме. Постоянные резисторы бывают незащищенные, покрытые огнестойкой краской, лакированные, опрессованные пластмассой, покрытые эмалью, керамикой, помещенные в стеклянный вакуумный или газонаполненный баллон.

Внешний вид постоянных проволочных и непроволочных резисторов различной формы показан на рис.3.2

Рис.3.2. Основные типы корпусов постоянных непроволочных (а) и проволочных резисторов (б)

Переменные резисторы разделяют на регулировочные, предназначенные для многократных оперативных регулировок, и установочные (подстроечные), предназначенные для периодической подстройки аппаратуры.

Конструкции изделий этого класса предусматривают возможность плавного или ступенчатого изменения значения сопротивления. Для этих целей используются потенциометры, принципиальная схема которых представлена на рис.3.3.

Рис.3.3. Принципиальная схема устройства переменного резистора

Один из контактов регулировочного резистора выполняется подвижным, так что его перемещение по поверхности токонесущей части позволяет изменять сопротивление резистора. Переменные резисторы по конструкции разделяют на одно- и многоэлементные, с круговым и прямолинейным перемещением подвижного контакта. Основные типы корпусов переменных резисторов показаны на рис.3.4.

В качестве установочных резисторов, предназначенных для установления точных значений питающих напряжений на электродах активных радиокомпонентов и необходимых уровней полезных сигналов в электрических схемах, используются как потенциометры, конструктивно выполненные как регулировочные, так и резисторы, предназначенные для печатного монтажа.

Рис. 3.4. Основные типы корпусов переменных непроволочных (а) и проволочных (б) резисторов

Для характеристики переменных резисторов, кроме указанных выше основных параметров, используют дополнительные:

- минимальное сопротивление;

- начальный скачок, возникающий при вращении подвижной шкалы от упора до начала плавного изменения сопротивления и обусловленный наличием удельных сопротивлений резистивного элемента и контактного узла;

- функциональная характеристика (кривая регулирования), отражающая зависимость сопротивления переменного резистора от положения подвижного контакта; по виду этой характеристики различают линейные (тип А) и нелинейные с логарифмической характеристикой (тип Б), обратнологарифмической характеристикой (тип В) и другие переменные резисторы;

- разрешающая способность, так как наименьшее изменение угла поворота (перемещение) подвижной системы, которое может быть различимо и отвечает минимально возможному изменению сопротивления;

- шумы вращения;

- износоустойчивость, оцениваемая количеством циклов перемещения подвижной системы в течение срока службы при сохранении параметров в пределах установленных допусков.

3.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗИСТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ.

Рассмотрим основные функции, которые выполняют линейные резисторы в радиоэлектронной, измерительной и другой аппаратуре.

Одной из главных функций резисторов является уменьшение имеющегося напряжения источника U_ИСТдо необходимого значения U_ПОТР. Это можно осуществить двумя способами.

Во-первых, с помощью так называемого «гасящего» резистора, который включается последовательно между источником питания и схемой-потребителем, сопротивлением

где I_ПОТР - установившееся значение потребляемого схемой постоянного тока.

Во-вторых, с помощью аттенюатора – устройства, которое позволяет производить деление напряжения в заданное число раз.

Схема простейшего аттенюатора, предназначенного для ослабления постоянного напряжения, состоит из ряда последовательно включенных резисторов и переключателя (рис.3.5, а)

Рис. 3.5. Электрическая схема делителя напряжения (аттенюатора) (а), эквивалентная схема замещения (б)

Роль аттенюатора может играть потенциометрический делитель (переменное сопротивление, которое можно рассматривать как два последовательно соединенных резистора. Принцип действия аттенюатора становится ясным, если воспользоваться эквивалентной схемой (рис.4.5, б), где R^'- суммарное сопротивление всех резисторов аттенюатора, находящихся выше точек подключения, а R" – ниже ее.

Потребляемое напряжение, снимаемое с R", определяется как

или U_ПОТР=n×U_{ИСТ ,}

где - коэффициент, показывающий, во сколько раз делится напряжение источника.

Для нормальной работы аттенюатора необходимо, чтобы сумма сопротивлений R' и R" была велика по сравнению с внутренним сопротивлением источника (в противном случае падение напряжения на цепочке сопротивлений будет близким к нулю), а величина сопротивления рабочего плеча делителя R" была мала по сравнению с сопротивлением нагрузки (в противном случае U_потррезко уменьшается).

Применение делителей обеспечивает стабильность снимаемого напряжения при значительных изменениях уровня потребляемого тока (полярного сигнала), что одиночный гасящий резистор обеспечить не может.

Отметим, что при работе аттенюатора на переменном сигнале коэффициент ослабления оказывается зависящим от частоты f из-за наличия паразитной емкости С" на выходе устройства, так что для сохранения формы входного синусоидального напряжения резисторы, составляющие R', шунтируют конденсатором с емкостью С' так, чтобы R'С'= R"С". Такой аттенюатор называют частотно-компенсированным.

Другая важнейшая сфера применения резисторов - использование их в качестве нагрузки. Нагрузочные резисторы, как правило, включают последовательно в цепь тока, представляющего собой сумму постоянной составляющей источника питания и переменной составляющей полезного сигнала. Назначение нагрузочного резистора - разделить эти две составляющие.

Для того, чтобы понять, каким образом нагрузочный резистор решает эту задачу, рассмотрим RC-цепочку, на которую поступает последовательность прямоугольных импульсов длительностью t_и и периодом повторения Т и выходное напряжение снимается с резистора (рис.3.6, а,б).

Рис. 3.6. Электрическая схема с нагрузочным резистором (а); импульсное входное и выходное напряжение на R-C-цепочке (б)

Допустим, что постоянная времени цепочки t = RC >> t_и. В интервале времени 0 £ t £ t_ипроисходит зарядка конденсатора с источника напряжения Е_о. При этом в первый момент, когда напряжение на конденсаторе равно нулю, все входное напряжение оказывается приложенным к резистору и U_вых= Е_о(рис.3.6, б). По мере зарядки напряжение на конденсаторе растет, а напряжение U_выхпадает по экспоненте. Поскольку t >> t_и, за время действия первого импульса конденсатор зарядится незначительно и к моменту окончания импульса выходное напряжение близко к Е_о(величина t показывает, через какое время с момента подключения к источнику незаряженного конденсатора напряжение на нем достигает 63 % от напряжения источника).

По окончании импульса (t_и< t < t_и+ T) вход RC-цепочки оказывается закороченным, а конденсатор емкостью С разряжается через резистор R. К началу следующего импульса конденсатор не успевает полностью разрядиться, и напряжение на резисторе (U_вых) отлично от нуля. Поэтому, хотя в момент начала второго импульса и происходит скачок входного напряжения, равный Е_о, выходное напряжение при этом меньше Е_о.

К началу третьего импульса остаточное напряжение конденсатора будет еще больше и т.д. до тех пор, пока в RC-цепочке будет достигнут установившийся режим, при котором на выходе отсутствует постоянная составляющая. При t << t_и процессы в RC-цепочке будут такими же, но за время каждого импульса конденсатор успевает полностью зарядиться до напряжения Е_о, а за время паузы между импульсами - полностью разрядиться. Форма выходного напряжения при этом имеет вид, показанный на рис.3.7 .

Таким образом, RC-цепочка при t << t_ипроизводит дифференцирование входного сигнала. Точность дифференцирования зависит от соотношения между t и t_и. Если RC-цепь подключена к источнику постоянного напряжения, то она выполняет роль времязадающей цепи с постоянной времени t.

Учитывая разнообразие электрических схем, входных сигналов, уровня потребляемых токов и напряжений, ясно, что для осуществления указанных функций необходима широкая номенклатура резисторов по номинальному сопротивлению и высокая стабильность последнего.

Следующая распространенная функция резисторов - шунтирование. Под шунтом понимают резистор, включенный параллельно каким-либо радиоэлементам. Важной областью использования резисторов-шунтов является регулирование добротности резонансных систем.

Рис.3.7. Входное напряжение на R-C-цепочке (а); выходное напряжение на резисторе (б)

Рассмотрим в этой связи параллельный колебательный контур (рис.3.8).

Известно, что при частоте напряжение на контуре максимально (реактивное сопротивление индуктивного и емкостного элементов одинаковы и общее сопротивление максимально). Это явление называют резонансом, а частоту w_р – резонансной частотой контура.

Рис. 3.8. Электрическая схема резонансного контура

При отклонении от резонансной частоты проводимость контура возрастает, а напряжение на контуре падает. Для учета изменения напряжения используется понятие полосы пропускания контура – полосы частот вблизи резонанса, на границах которого амплитуда напряжения снижается до от резонансного значения (рис.3.9).

Рис.3.9. Резонансные характеристики контура с различной добротностью Q₁ и Q₂

Ширина полосы пропускания определяется как

где Q – добротность контура, пропорциональная активному сопротивлению.

Если зашунтировать контур резистором малого сопротивления, величина R в эквивалентной схеме контура уменьшается, и добротность Q упадет. Это приводит к расширению полосы пропускания, что используется с этой целью в радиовещательной аппаратуре.

Для осуществления этой функции необходимы резисторы сопротивлением единицы-десятки Ом, устойчивые к изменению температуры, (то есть с малым ТКС), к влажности окружающей среды, а также низким уровнем токовых шумов.

3.4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К

РЕЗИСТИВНЫМ МАТЕРИАЛАМ

Требования, предъявляемые к резистивным материалам, вытекают из назначения и условий эксплуатации резисторов.

При этом, предлагая выбор того или иного резистивного материала на основе физических и физико-химических подходов, необходимо чтобы материал был технологичен и отвечал требованиям производственного технологического процесса.

3.5. ОСНОВЫ ФИЗИКИ РЕЗИСТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основная задача физического материаловедения в области конструирования и технологии производства резисторов состоит в определении научно-обоснованных подходов к созданию материалов с необходимым удельным сопротивлением и температурным коэффициентом сопротивления в требуемом диапазоне рабочих температур.

Главная проблема состоит в получении материалов с высоким удельным сопротивлением и низким ТКС, в том числе резистивных пленочных материалов с поверхностным сопротивлением, большим 1000 Ом и ТКС на уровне 10^-4 1/град. Это позволяет сократить габаритные размеры дискретных элементов и резисторных элементов микросхем и расширить диапазон номинальных значений сопротивления.

Для того, чтобы осмыслить существующие и развиваемые подходы к решению этой проблемы необходимо в первую очередьпонимать физическую природу электрического сопротивления твердофазных веществ с электронной проводимостью.

В идеально периодической кристаллической решетке электроны, в силу наличия у них волновых свойств, могут двигаться без рассеяния, так что идеальный кристалл представляет собой идеальный проводник, обладающий нулевым сопротивлением (что нельзя путать со сверхпроводниками, у которых сопротивление исчезает пороговым образом при понижении температуры до определенной критической и совсем по другим причинам). Сопротивление возрастает из-за рассеяния электронов на нарушениях периодичности потенциала решетки реального кристалла. В массивном однородном материале эти нарушения обусловлены тепловыми колебаниями структурных частиц кристалла около положения равновесия и наличием в узлах решетки атомов примеси или собственных структурных дефектов (вакансий, атомов внедрения и других), имеющих отличный от атомов основы эффективный заряд. В общем случае имеют место оба механизма рассеяния носителей заряда.

Будем отталкиваться от наиболее проводящих материалов – металлов, и проанализируем, каким образом можно повысить удельное сопротивление и одновременно снизить ТКС.

Обозначим через r_n удельное сопротивление, обусловленное рассеяние на примесях (структурных дефектах), и через r_т– удельное сопротивление, обусловленное рассеянием на тепловых колебаниях решетки.

Существует правило Матиссена, согласно которому удельное сопротивление массивного однородного материала

r = r_n + r_{т .}

В определенном приближении можно считать, что в металлах величина r_т медленно возрастает с увеличением температуры, так что ТКС резистора на основе чистого металла положителен, а величина r_nпрактически не зависит от температуры.

Это предопределяет основные подходы к созданию резистивных материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом сопротивления, на основе металлических сплавов.

В структурном плане эти материалы представляют собой твердые растворы, то есть сплавляемые металлы создают при отвердевании единую кристаллическую решетку, в которой атомы разных сортов хаотически распределены по узлам. Естественное разупорядочение вызывает здесь более сильное рассеяние, чем тепловые колебания и, соответственно r_n _>> r_т. Отсюда следует, что металлические сплавы должны обладать значительно большим удельным сопротивлением, чем чистые металлы.

Определим теперь как соотносятся температурные коэффициенты удельного сопротивления сплавов и чистых металлов. Температурный коэффициент удельного сопротивления сплава, предопределяющий ТКС резистора на его основе, по определению

Учитывая постоянство r_n при изменении температуры

Преобразуем это выражение

или, поскольку - температурный коэффициент удельного сопротивления чистого металла, поэтому

Исходя из того, что у сплавов r_n _>> r_тполучаем

Таким образом, переход от чистых металлов к металлическим сплавам позволяет существенно повысить удельное сопротивление и одновременно понизить ТКС материала.

Следует отметить, что свойства реальных сплавов богаче и многообразнее теоретических предсказаний. Температурный коэффициент сопротивления сплавов может быть много меньше ожидаемого, а в ряде случаев может быть и отрицательным.

Переходя от массивных материалов к пленочным возникает дополнительный фактор, приводящий к увеличению удельного сопротивления - рассеяние носителей заряда на границах слоя.

Как известно, удельное сопротивление металла обратно пропорционально средней длине свободного пробега электронов l:

где n – концентрация носителей заряда;

m* - эффективная масса носителей заряда;

u_F - скорость электронов, обладающих энергией Ферми.

Если толщина металлической пленки становится сравнимой со средней длиной свободного пробега, количество соударений носителей заряда с поверхностью составляет значительную часть из общего количества элементарных актов рассеяния, так что границы пленки начинают геометрически ограничивать движение электронов, уменьшая среднюю длину свободного пробега. В результате возникает классический размерный эффект – удельное сопротивление тонких пленок может значительно превышать удельное сопротивление массивного образца того же состава.

Заметим, что поверхностное рассеяние – не единственная причина, по которой удельное сопротивление пленки оказывается больше, чем у массивного металла. Это может наблюдаться и у пленок большой толщины (d>>l) из-за структурных дефектов, возникающих в процессе синтеза. Использовать это в практических целях затруднительно из-за неустойчивости дефектной структуры пленок в процессе эксплуатации, что приводит к снижению сопротивления. Однако, здесь будем считать, что дефектность пленочного и массивного материалов одинаковы и выделим таким образом эффект рассеяния на границах в тонких слоях.

Теоретический анализ показывает, что уменьшение толщины пленки должно приводить к численному результату повышения удельного сопротивления ρ и одновременно снижению ТКС (рис. 3.10).

а) б)

Рис. 3.10. Зависимость относительного удельного сопротивления пленки (а) и относительного температурного коэффициента удельного сопротивления (б) от отношения толщины пленки к длине свободного пробега электронов

Экспериментальные результаты не вполне соответствуют предварительным ожиданиям. Наиболее тонкие пленки металлов обнаруживают значительно большие величины удельного сопротивления и, что особенно обращает внимание, отрицательное значение температурного коэффициента сопротивления (рис.3.11). Толщина слоя, при котором ТКС меняет знак, зависит от природы металла и технологии синтеза.

Указанное расхождение результатов эксперимента с результатами расчета по вышеприведенной модели объясняется тем, что в последней рассматриваются сплошные металлические пленки. На практике тонкие пленки на ранних стадиях синтеза оказываются несплошными.

толщина пленки d

Рис.3.11. Характер зависимости удельного сопротивления r и ТКС тонких металлических пленок от их толщины

При осаждении металлической пленки на подложку вакуумными методами обычно происходит зародышеобразование на большом числе центров, представляющих собой дефекты поверхности подложки. Частицы, попадающие на такие центры, теряют свою подвижность и таким образом образуется пленка с островковой структурой. По мере того как продолжается осаждение, островки растут до тех пор, пока не начнут контактировать друг с другом, так что на конечном этапе образуется сплошная пленка.

Островковые металлические пленки обладают привлекательными свойствами, с точки зрения их применения в качестве резистивных: высоким удельным сопротивлением и возможно низким температурным коэффициентом сопротивления.

Эксперимент показывает, что для островковых пленок характерна немонотонная (с минимумом) температурная зависимость сопротивления, так называемая U-образная зависимость. Другими словами, ТКr островковых пленок при понижении температуры изменяет знак от плюса к минусу и при температуре, отвечающей минимуму сопротивления, ТКr принимает нулевое значение. Элементарный акт переноса электронов, определяющий сопротивление островковой пленки, состоит в переходе электронов от одного островка к другому через промежуток между ними.

Нулевой ТКС в островковых пленках в принципе достигается при соблюдении строгого соотношения между вкладами металлической электропроводности с положительным ТКr и активированной электропроводности с отрицательным ТКС, так что его можно было бы ожидать в области, соответствующей переходу от островковой структуры к сплошным металлическим пленкам.

При всей заманчивости обозначенных перспектив островковые пленки в качестве резистивных широкого практического использования не получили. Это связано с двумя обстоятельствами – плохой воспроизводимостью и нестабильностью их свойств.

Разброс значений сопротивлений обусловлен самим характером зародышеобразования при синтезе пленок. Поскольку металлические островки растут главным образом на дефектах подложки, концентрация и распределение которых по поверхности не вполне контролируемо, то пленки, осажденные на номинально одинаковые подложки имеют существенно различные величины сопротивления.

Нестабильность свойств островковых пленок возникает вследствие миграции и коалесценции атомов, процессов адсорбции газов и окисления металла.

Более предсказуемыми и стабильными свойствами могут обладать так называемые керметные пленки, представляющие собой композиционные структуры, содержащие металлическую и диэлектрическую компоненты. Наиболее распространенным приемом получения керметных пленок является одновременное испарение металла и диэлектрика, осаждаемых на подложку.

Электропроводность керметов обеспечивается как непосредственно контактированием металлических зерен друг с другом, так и электропроводностью через тонкие диэлектрические прослойки между зернами. Эти пленки обладают электрическими свойствами, во многом схожими с несплошными пленками (островковыми) , но являются при этом сплошными. Свойства керметных пленок достаточно стабильны, так как металлические зерна защищены слоем диэлектрика (продолжая аналогию с островковыми пленками можно сказать, что поры в керметной пленке заполнены не вакуумом или воздухом, а твердым диэлектриком).

Керметы в простейшем случае рассматривают как двухфазную систему, представляющую собой гомогенную матрицу одной фазы (например, диэлектрика) с диспергированными в ней частицами другой фазы (металла). Физически ясно, что сопротивление и ТКС такой системы определяется тем, образуют ли частицы металлической фазы непрерывные цепочки, замыкающие электроды. Учитывая характер зародышеобразования, появление контактов между частицами представляет собой случайное событие, так что для теоретического осмысления и прогноза свойств данных систем необходим статистический подход.

Электропроводность керметов интерпретируется в рамках теории протекания.

С точки зрения практического приложения наиболее интересна и перспективна пороговая, критическая область, поскольку даже небольшие вариации состава в ней ведут к значительному изменению проводимости, что позволит в рамках одной технологии получать материалы как низкоомные, так и высокоомные. Кроме того, критической области соответствует ТКС, близкий к нулю.

Вместе с тем именно из-за резкой концентрационной зависимости проводимости можно ожидать низкой воспроизводимости результатов от образца к образцу и малого выхода годных по номиналу. Также в критической области велика ЭДС шумов и низка стабильность электрических параметров.

Важное значение в формировании свойств керметов имеют состав и размеры частиц проводящей фазы. Они могут существенно влиять на параметры диэлектрической фазы, распределение в ней проводящих частиц, величину концентрационного порога протекания. Эти факторы априорно теорией протекания не учитываются, так что любая новая система в части использования компонентов и технологии требует специального изучения и может обнаруживать неомические характеристики.

3.6. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЗИСТОРОВ

ПО ИСПОЛЬЗУЕМЫМ МАТЕРИЛАМ. ОБОЗНАЧЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ

В отечественной и зарубежной практике в технологии производства используются разнообразные резистивные материалы, что отвечает спектру требований к свойствам резисторов.

В зависимости от используемого материала резистивного элемента в классе постоянных непроволочных резисторов различают:

- углеродистые и бороуглеродистые резисторы – в которых используются слои так называемого пиролитического углерода, полученного термическим разложением паров углеводородов. По структуре пиролитический углерод близок к графиту, добавки бора способствуют снижению ТКρ.

- металлодиэлектрические резисторы – токонесущей частью в которых являются гетерогенные металлодиэлектрические пленки (керметы);

- металлооксидные резисторы – это главным образом пленки на основе оксида олова SnO_2;

- металлопленочные резисторы – проводящий элемент представляет собой тонкий слой из сплава или металла (тантала, нихрома и др.);

- композиционные резисторы, токопроводящий слой которых представляет собой композицию проводящего углерода (сажа или графит) и органического или неорганического связующего.

В проволочных резисторах в качестве резистивных материалов используют сплавы металлов.

Наиболее распространенными резистивными материалами переменных резисторов являются композиционные, металлодиэлектрические и металлооксидные.

Существует несколько систем условных обозначений резисторов. До 70-х годов царила буквенная система, в которой буквы обозначали различные при признаки изделия. Например, МЛТ - металлопленочные лакированные теплостойкие, УЛИ - углеродистые лакированные измерительные, МОН - металлоокисные низкоомные, КЛМ - композиционные лакированные малогабаритные. Этой системе, очевидно, не доставало строгости.

В 70-х годах ГОСТ 13453-68 были введены обозначения резисторов, состоящие из букв и цифр. Буквы обозначают группу резисторов: С - резисторы постоянные; СП - резисторы переменные (буква С осталась от старого названия резисторов – «сопротивление»). Цифра, стоящая после букв, обозначает одну из указанных выше разновидностей резистора: 1 - непроволочные углеродистые и бороуглеродистые; 2 - непроволочные металлодиэлектрические и металлооксидные; 3 - непроволочные композиционные пленочные; 4 - непроволочные композиционные объемные; 5 - проволочные; 6 - непроволочные металлопленочные. После цифры через дефис ставится число, обозначающее номер конкретного типа резистора.

С 1980 года введена новая система сокращенных условных обозначений резисторов. Здесь первый элемент - буква или сочетание букв - обозначает подкласс резисторов: Р - постоянные, РП - переменные, НР - наборы резисторов. Второй элемент - цифра - обозначает вид материала резистивного элемента: 1 - непроволочные, 2 - проволочные. Третий элемент - число - обозначает регистрационный номер конкретного типа резисторов. Например, Р1-26 - постоянный непроволочный с номером разработки 26.

Использование новой системы обозначений, в которой отсутствует указание типа резистивного материала, предполагает необходимость уточнения свойств изделия при выборе резистора для выполнения определенных функций.

3.7. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ

3.7.1. ВАРИСТОРЫ

Варисторами называются полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения.

Ранее в качестве варисторов использовали полупроводниковые диоды, вольт-амперная характеристика которых, как известно, нелинейна.

В настоящее время в варисторным элементам относят только приборы с симметричной ВАХ (рис.3.12).

Рис. 3.12. Вольт-амперная характеристика варистора

Важнейшей характеристикой варистора является коэффициент нелинейности. При заданном напряжении в рабочей точке К может быть определено статическое сопротивление и дифференциальное сопротивление . Коэффициент нелинейности .

Обычно при использовании резисторов желательно, чтобы коэффициент нелинейности был как можно больше. Если α не зависит от рабочей точки, то интегрируя последнее уравнение, получим

или .

Отсюда , где I₀ – некоторый базовый ток;

U₀– напряжение, соответствующее этому току.

В качестве рабочего материала варисторов используют:

- карбид кремния SiC, коэффициент нелинейности варистора на его основе не превышает 7;

- оксид цинка ZnO, для которого коэффициент нелинейности составляет несколько десятков.

Величина α у реальных варисторов на основе ZnO не постоянна. Область, в которой варисторы на основе ZnO превосходят варисторы на основе SiC, перекрывает практически 10 порядков плотности тока j (рис.3.13).

Рис. 3.13. Характеристики плотность тока –напряженность поля варисторов на основе ZnO и SiC и некоторого омического сопротивления (α= 1)

Основу варистора составляет поликристаллический полупроводниковый материал, отдельные зерна которого находятся в электрическом контакте друг с другом.

Нелинейность проводимости варисторов, в общем случае, обусловлена наличием межкристаллитных потенциальных барьеров. Ниже некоторой критической напряженности проводимость, ограниченная этими барьерами, остается незначительной, однако, при превышении критической напряженности – резко возрастает.

Поликристаллические полупроводники обладают существенно большей электрической прочностью по сравнению с монокристаллическими. Так, если полупроводниковый р-п переход (диод) на основе монокристалла легко пробивается при повышении напряжения, то в поликристаллическом полупроводнике это напряжение разделено между многочисленными поглотителями энергии. Это позволяет использовать варисторы для защиты от перегрузок и регулирования напряжения на нагрузке.

Защита от перегрузок особенно важна для элементов чувствительных интегральных схем, что повышает значение варисторов на основе ZnO, которые при площади порядка 1 см² выдерживают кратковременные всплески тока величиной до нескольких кА и в достаточной мере снижают напряжение.

В устройствах с высоким напряжением используют варисторы на основе SiC. Рассмотрим схему (рис. 3.14, а) сначала без варистора.

Напряжение на зажимах (нагрузке) составляет:

На зависимости U(I) (рис.3.14, б) приведена соответствующая нагрузочная кривая и нагрузочная кривая, соответствующая изменению нагрузочного сопротивления от бесконечности (режим холостого хода) до нуля (режим короткого замыкания). Ток короткого замыкания (при U=0) равен 0,2 А; напряжение холостого хода равно 200 В.

а б

Рис. 3.14. Защитное действие варистора в высоковольтной схеме. Электрическая схема источника напряжения с внутренним сопротивлением и варистором (а); ВАХ с SiC- или ZnO-варисторами (б)

Допустим, что рабочее напряжение нагрузочной схемы соответствует 200В. Если теперь в режиме холостого хода возникает перегрузка U_ПЕР= 800 В, то обе величины складывают вместе: .

При такой перегрузке в схеме с варистором на основе SiC, имеющим α =5, напряжение возрастет до величины, соответствующей точке пересечения с ВАХ SiC-варистора, то есть около 600 В (так называемое остаточное напряжение), так что перегрузка при этом составляет около 50 % от всплеска напряжения (рабочее напряжение = 200 В).

Если использовать варистор на основе ZnO с α =40, то точка пересечения вольт-амперной характеристики с нагрузочной прямой дает остаточное напряжение около 320 В, так что перегрузка при этом составляет всего 15 %.

Рассмотрим механизмы электропроводности поликристаллических полупроводников, ответственных за варисторный эффект.

Нелинейность ВАХ варисторов на основе SiC объясняется процессами переноса, протекающими на контактах между кристаллитами. Существуют различные модели переноса. Одна из них – модель Буша – основана на предположении о наличии на поверхности кристаллитов диэл

Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 2472;